在降低碳排放的情况下水泥质灰产品的生产的制作方法[0001]本申请是申请日为2007年2月7日，申请号为200780004642.7，发明名称为“在降低碳排放的情况下水泥质灰产品的生产”的发明专利申请的分案申请。[0003]根据某些专家的意见，世界上很多地方储藏的丰富的煤足够提供世界未来几十年，也许是几百年的大部分的能量需求。同时，预计对水泥质物质，例如波特兰水泥的需求将由于发达国家维持其基础设施以及发展中国家为其国民的利益建造和维持道路、水坝和其它建筑而增加。[0004]当燃烧煤来通过燃烧含碳物质来产生热能时，未燃烧物质和微粒燃烧产物形成具有凝硬性和/或水泥质特性的灰。尽管煤灰的化学组成取决于煤的化学组成，但是通常灰都含有大量的二氧化 硅和氧化铝，以及显著但较少量的钙。[0005]在烧煤的炉子或锅炉中燃烧粉煤而产生的所谓的粉煤灰是在燃烧中不挥发的煤的成分所形成的粉状微粒物质。粉煤灰通常由烟道气携带，并通常利用诸如静电沉降器的常规装置，诸如袋滤捕尘室的过滤设备和/或诸如旋风分离器的机械设备等从烟道气中收集粉煤灰。煤的燃烧伴随着大量煤灰的产生，这些灰必须由燃煤工厂来处置。例如，燃烧煤所产生的灰已经被成功地在波特兰水泥混凝土中用作波特兰水泥的部分替代品使用。煤灰还被进一步用作生产可流动的填充物的成分、作为稳固地基和辅助地基混合物的成分。在这些应用中，尤其是当灰是用作这些应用中的波特兰水泥的替代品时，所用的灰的量由该特定灰产品的水泥质性质或水泥质性质的缺乏来限制。[0006]尽管由于经济的原因优选地要重新利用灰，但是在很多情况下，灰不适于用作水泥质混合物的成分。在很多情况下，灰必须被埋入土壤或作为废品处理。[0007]温室气体-二氧化碳向大气中的排放是造成通常所说的全球变暖的现象的原因之一。估计水泥生产占到世界二氧化碳总排放的5%到10%，因此，水泥生产是全球变暖的一个重要的因素。水泥生产是最大的、非能源产业的二氧化碳排放源。由于在石灰石煅烧中的二氧化碳的释放，水泥生产既是与燃烧相关的二氧化碳排放源，也是与工艺有关的二氧化碳排放源。已经作出估计，如果全世界的水泥生产的二氧化碳排放能够降低10%，那么这样的降低将完成京都议定书的、比1990年世界所有产业的排放水平降低5.2%的总二氧化碳排放的目标的五分之一。[0008]用于燃烧煤来生产具有高水泥质性质的灰产品的方法和组合物将带来明显的进步，因为它们既能够降低燃煤公司的废物处理的成本，也能够降低所需建筑项目的混凝土产品的成本。此外，用于降低水泥生产的二氧化碳排放的方法和组合物将带来明显的进步，还因为它们将减少水泥生产对全球变暖的影响。

[0009] 本发明提供用于运行燃煤工厂和水泥厂等的方法，以提供多种技术和经济效益。在不同的实施方式中，使用吸附剂或吸附剂的组合能够生产包含低水平的酸可浸出的汞量和其它重金属的灰，同时，由于在燃烧中从煤中捕获了重金属，该灰包含了提高的总的重金属水平。要说明的是，比起在没有吸附剂或吸附剂组合的情况下燃煤所生产的灰，优选地，该灰可浸出的汞量低而水泥质性质高。在一些实施方式中，在建筑产品中使用水泥质灰作为波特兰水泥的全部或部分替代品能够降低因制造波特兰水泥而产生的二氧化碳排放。除了避免制造波特兰水泥所需的石灰石煅烧和为制造波特兰水泥提供能量的矿物燃料燃烧所产生的二氧化碳排放外，吸附剂成分的使用还倾向于增加通过燃烧煤来产生能量的效率，这进一步降低了产生能量的矿物燃料燃烧所产生的温室气体排放。在各种实施方式中，通过使用所述吸附剂，产生了包括二氧化碳、汞和硫信誉的多种排放信誉，从而带来经济利益和燃烧的煤的价值的提高。
[0010]本发明提供用于处理煤和/或燃烧处理过的煤来生产高水泥质性质的灰产品的方法和化合物。在一些实施方式中，该灰的水泥质性质使得波特兰水泥混凝土及类似产品的配方中可以有高达50%或更多的波特兰水泥被该灰产品替代。在一些实施方式中，配方中灰高达50%或更多的波特兰型水泥产品的强度活性指数大于75%，优选地，为100%或更大。因此，在一些实施方式中，本发明的该灰产品用作稳固地基、辅助地基混合物和可流动的填充物(也称作受控低强度材料或CLSM)等中的波特兰水泥混凝土中的主要水泥质材料。
[0011]该灰产品通过在有包含钙源并且进一步包含显著的二氧化硅和氧化铝源的吸附剂成分存在的情况下燃烧煤来制造。在一些实施方式中，所述成分在燃烧前被加入煤中、在燃烧中被加入到炉中和/或优选地加入到高于500°c的烟道气中去。优选地，所述吸附剂作为包含多种成分的混合物的碱性粉末被加入。通过燃烧具有这些吸附剂成分的煤生产的灰的钙含量通常比F类和C类粉煤灰的规格高，并且其二氧化硅、氧化铝和氧化铁的组合含量，虽然仍比较显著，但是大大低于F类和C类粉煤灰的规格。
[0012]在一些实施方式中，使用该碱性粉末吸附剂，优选地，与包括卤族化合物的其它吸附剂成分组合使用，能够降低燃煤设备的硫和/或汞的排放。另外，还观察到了例如砷的重金属和氯化物的降低。相信根据本发明生产的灰的高度水泥质性质至少部分应归因于其化学成分。
[0013]在一些实施方式中，本发明提供多种水泥产品，例如波特兰水泥混凝土、可流动的填充物、稳定的地基和其它类似产品，在这些产品中，用这里说明的水泥质灰产品全部或部分地替代了其中所使用的传统的水泥(波特兰水泥)。特别地，在一些实施例中，本发明的该水泥质灰产品被用来替代40 %或更多的在这些产品中按惯例使用的波特兰水泥。



[0014]本领域技术人员将理解这里所述的附图仅用于说明目的。附图不是用来以任何方式限制本发明的范围。
[0015]图1为说明用于安装和维护污染控制设备的总资金投资的元素的一个非限制性实施例的框图；[0016]图2为说明在作出污染控制选择的决策中的各种年度成本及其相互关系的非限制性实施例的图表。

[0017]以下对技术的描述实质上仅仅是对一个或多个实施方式的主题、制造和用途的示例性说明，而不是要限制本申请、诸如可能递交的要求本申请优先权的申请的其它申请、或从本申请产生的专利中要求保护的一些实施方式中的任何特殊实施方式的范围、应用或用途。在评论对这里提出的对技术的描述时，必须考虑下面的定义和非限制性原则。具体地说，尽管将在一些实施方式中把本发明讨论为减少例如二氧化碳、硫和汞等的工业排放，，但是这些讨论不应理解为仅将本发明限制为这些应用。
[0018]这里所使用的标题(例如“”和“
”)和子标题仅用于本公开的主题的一般组织，并非用于限制技术的公开或其任何方面。具体地说，“”中公开的主题可能包括新技术并且可能不构成对现有技术的叙述。“
”中公开的主题不是对技术或其任何实施方式的全部范围的详尽或完全公开。为了方便，本说明书的一部分中的一种物质被分类或讨论为具有特定效用，但是不应得出这样的推论，即当该物质被用于任何给定的混合物时，它必须必要地或单独地根据其在这里的分类来起作用。
[0019]这里引用的参考文献并不表示认为这些参考文献为现有技术或与这里公开的技术的专利性有任何相关性。据此，把本说明书的“”部分中引用的所有文献通过参考而完整合并进来。如果所述合并的参考文献、文献和类似材料中的一个或多个与本申请不同或与本申请矛盾，包括但不限于定义的术语、术语的使用、说明的技术等，以本申请中所述的为准。
[0020]尽管本说明书和 具体的实施例简要说明了该技术的一些实施方式，但是它们仅用于说明目的，而非用来限制该技术的范围。此外，对多个具有指出的特征的实施方式的叙述不是用来排除具有另外特征的其它实施方式或结合了所指出的特征的不同组合的其它实施方式。为说明的目的提供了具体的实施例来说明如何制造和使用本技术的组合物和方法，但是除非明确地指出，这些具体的实施例并不表示，本技术的给定实施方式已经或未曾被制造出来或被测试过。
[0021]虽然本发明在一些实施方式中涉及燃煤工厂来讨论，例如发电的电厂和水泥厂，但是这些讨论不应理解为仅将本发明限制为这些应用。
[0022]在一个实施方式中，提供了一种增加燃煤工厂中燃煤价值的方法。该方法包括:在没有烟道气脱硫设备的情况下并且在至少一种吸附剂存在下，燃烧含汞的煤，以产生热能、灰和烟道气。该方法进一步包括监测烟道气的硫和汞，并且调整吸附剂的存在以减少硫排放和汞排放中的至少一个，直至其符合环境规定。从而，通过避免与烟道气脱硫设备有关的成本，实现了金钱节省。
[0023]在另一个实施方式中，本发明提供一种运行燃煤工厂以产生能量和废灰的方法，该方法包括在吸附剂组合物存在下燃烧煤来产生具有改进的水泥质性质的废灰。改进的水泥质性质反映在，例如，比起在没有该吸附剂组合物的情况下燃烧煤而产生的废灰，该废灰的强度活性指数要高。该方法进一步包括回收所述废灰；在优选的实施例中，比起在没有该吸附剂化合物的情况下燃烧煤而产生的废灰，该废灰还具有较低水平的酸可浸出的汞。此后，该方法提供以废灰生产水泥产品的方法。
[0024]在另一个实施方式中，提供一种运行燃煤工厂来产生热能和废灰的方法，该方法包括在至少一种吸附剂的存在下燃烧煤。比起在没有该吸附剂的情况下燃烧煤而产生的灰，该吸附剂增加废灰中重金属(例如汞)的含量并且减少废灰中酸可浸出的该重金属的量。然后，灰作为工业原料出售。该方法产生汞排放信誉、二氧化碳排放信誉和二氧化硫排放信誉中的至少一种。然后，出售或交易这些信誉，从而产生经济效益。
[0025]在 另一个实施方式中，本发明提供一种降低燃煤水泥制造工厂的二氧化碳排放的方法。该方法包括:在至少一种吸附剂的存在下，燃烧煤来产生能量、烟道气和灰。所述灰具有改进的水泥质性质，其改进的水泥质性质反映在，例如，比起在没有该吸附剂的情况下燃烧煤而产生的灰，该灰的强度活性指数要高。然后，产生的能量用于制造水泥。而具有水泥质性质的灰则被加到水泥中，从而在不增加制造水泥所使用的石灰石的总量的情况下，增加水泥厂生产的所述水泥质材料的量。因为制造每单位的水泥质材料需要煅烧较少的石灰石，所以避免了二氧化碳排放。
[0026]当把本发明的方法中所使用的吸附剂如所指出的那样用于燃煤方法时，能够提供所描述的那些优点。在各种实施方式中，吸附剂包括包含钙、二氧化硅、氧化铝和可选的诸如溴的卤素的碱性粉末和/或液体混合物。在Douglas Comrie于2006年I月18日递交的、题为“Sorbents for Mercury and Sulfur Remediation (调整萊和硫的吸附剂)”的美国临时申请60/759，994，于2005年3月17日递交的、美国临时申请60/662，911，于2005年12月2日递交的美国临时申请60/742，154，于2006年2月7日递交的美国临时申请60/765，944，和基于Douglas Comrie于2006年3月16日递交的国际申请PCT/US2006/010000的国际公开W02006099611A1中，说明了合适的吸附剂成分和组合物以及使用它们的方法。据此，把这些申请和公开的所有内容通过参考而合并进来。
[0027]在一些实施方式中，通过在有包括钙、二氧化硅、氧化铝和诸如溴的卤素的吸附剂成分的存在下，燃烧煤来生产灰产品。这些成分作为一种或多种吸附剂组合物的部分被加入到燃煤系统中去。在一个非限制性实施例中，吸附剂成分钙、二氧化硅和氧化铝被一起加入到碱性粉末吸附剂组合物中，所述碱性粉末吸附剂组合物包括大约2~15wt%的Al2O3,大约30~75wt%的CaO，大约5~20wt%的SiO2,大约I~10%Fe203和大约0.1~5wt%的总碱，例如氧化钠和氧化钾。在一些实施方式中，所述吸附剂包括大约2~10wt%的Al2O3,大约40~70wt%的CaO，大约5~15wt%的总碱。在一些实施方式中，在此描述的粉末吸附剂组合物含有一种或多种含钙的碱性粉末以及较低含量的一种或多种硅铝酸盐材料。如果需要的话，加入卤素成分作为所述碱性粉末的进一步的成分，或者单独加入卤素成分作为液体或粉末组合物的一部分。
[0028]为了制备所述灰产品，燃烧含碳燃料，以通过其燃烧产生热能。在一些实施方式中，所述含碳燃料可为煤。未燃烧的材料和微粒燃烧产物形成灰，这些灰在炉底收集，或通过除尘器或过滤器从烟道中收集，例如烧煤装置上的袋滤捕尘室。炉底灰和粉煤灰的含量取决于所述煤的化学组成和燃烧中加入到烧煤装置中的吸附剂成分的量和组成。
[0029]除了碳以外，煤中的主要元素还包括二氧化硅、氧化铝和钙，以及少量的铁。此外，通常还存在痕量重金属，例如砷、锑、铅、铬、镉、镍、钒、钥、锰、铜和钡。这些非碳元素倾向于存在于煤燃烧的灰中。煤还包含大量的硫。燃烧时，煤中的硫燃烧生成挥发性的硫氧化物，其倾向于以气体形式从烧煤装置中逸出。酸雨的一个主要原因是二氧化硫的排放。本领域公知的是，当二氧化硫与水混合时形成硫酸。所以希望进一步调整或降低燃煤工厂的硫氧化物的排放水平。
[0030]煤中还含有汞。虽然汞以低水平存在，但是在燃烧中汞倾向于挥发并从烧煤装置中逸出。尽管煤燃烧产生低水平的汞，但还是不希望向环境中排放汞，因为该元素有毒，并且倾向于在机体组织中累积。因为汞对健康和环境的破坏作用，在美国和世界其他地方最近开始制定规章控制其排放。不管汞是否被规章控制，都会非常希望能够减少燃煤公司的汞的排放量。
[0031]在一些实施方式中，倾向于减少或再调整燃煤公司的汞和/或硫的排放的吸附剂组合物还具有使燃烧该燃料得到的灰具有更好的水泥质特性的有益效果，从而得到的灰可以在商业中作为各种水泥和混凝土产品中波特兰水泥的部分或完全替代品。在所述吸附剂存在下烧煤得到的灰在商业中是有用的，不仅因为其高度水泥质性质，还因为灰中含有的烧煤产生的重金属以不能浸出的形式存在的事实。也就是说，煤中的汞、砷、铅和其他重金属被报道存在于灰中。在一些实施方式中，在所述吸附剂组合物存在下烧煤得到的灰比没有吸附剂烧煤得到的灰的重金属含量要高，但是含有的可浸出的重金属的水平低于没有吸附剂情况下得到的灰。所以，所述灰可安全进行处置和商业出售，例如作为水泥材料。
[0032]在一些实施方式中，公开了一种方法，包括将吸附剂在燃烧过程中直接应用到炉子中(“燃烧中”加入)；燃烧前直接加入到例如煤的燃料中(“燃烧前”加入)；直接加入到燃烧后的气流中(“燃烧后”加入)，优选在大于500°C的温度区域内和优选在大于800°C的温度区域内；或在燃烧前加入、燃烧中加入和燃烧后加入的任意组合的方式加入吸附剂。
[0033]在一些实施方 式中，在废能发电厂中煤与其他燃料一起燃烧。这样的工厂在他们烧的燃料上是可变通的。除了烟煤和亚烟煤，这样的工厂也能烧其他燃料，例如城市废物、下水道污泥、石油焦炭、生物来源的燃料(非限制性的例子如木材、木片、农业废物和/或锯末)、废塑料、废轮胎等。在一定程度上，这些燃料含有汞和硫，所述吸附剂的使用倾向于减轻或降低燃烧时会释放到大气中的硫和/或汞的排放。还产生具有高度水泥质特性的灰产品。在一些实施方式中，使用这里所述的吸附剂倾向于减轻或降低二氧化碳的排放。
[0034]根据所烧燃料的燃料值，这些废能发电厂中，火焰温度在大约1000° F~1200° F (对于低值燃料或含有高比例的低值的生物来源的燃料或其他低值成分的燃料)至2700° F~3600° F或更高(对于高BTU (英制热量单位)煤或与高比例的高BTU煤混合的燃料)之间变化。在一些实施方式中，使用本发明的吸附剂减轻了在较低温度下燃烧的系统的汞的排放。相信所述碱性粉末吸附剂可有效地从烟道气中去除氧化的汞，所述氧化的汞是在较低温度下燃烧形成的主要种类。
[0035]所以，在一些实施方式中，用吸附剂组合物处理燃烧煤、生物来源的燃料(例如木片、锯末、植物废物、农作物废料、动物废料、污泥等)和/或可回收的聚合物材料(例如废橡胶轮胎)的组合的废能发电厂，以达到汞和/或硫排放的显著减少，并产生具有良好水泥质特性的灰产物。
[0036]在一些实施方式中，监测所述燃煤工厂的汞排放。监测元素汞、氧化的汞或两者的排放。元素汞是指基态或零氧化态的汞，而氧化的汞指+1或+2氧化态的汞。根据从工厂排放之前的烟道气中汞的含量不同，燃烧前、燃烧中和/或燃烧后加入的吸附剂组合物的量可增加、降低或保持不变。一般来讲，理想的是去除尽可能多的汞。在一些实施方式中，基于煤中汞的总量，汞的去除达到90%以上。这一数字指的是从所述烟道气中去除汞，从而使汞不通过烟道排放到大气中。通常，烟道气中汞的去除导致灰中汞含量的提高。为了使加入燃煤过程中的吸附剂的量最小化，以减少炉中产生的灰的总量，在许多实施方式中理想的是使用汞排放的测量结果来调节吸附剂组合物的加入比率，以达到理想的汞排放的降低而不向系统中增加过多的材料。
[0037]在加入了吸附剂成分燃烧煤或其他燃料的一些实施方式中，煤中的汞和其他重金属，例如砷、锑、铅等进入袋滤捕尘室或静电沉降器，并成为燃煤工厂的全部灰含量中的一部分；或者汞和重金属在炉底灰中发现；或者存在于两部分中。因此，汞和其他重金属不从该工厂中排放。一般来讲，所述灰中的汞和其他重金属耐酸性条件下的浸出，虽然与没有吸附剂成分存在下烧煤得到的灰相比，它们倾向于以更高的水平存在于所述灰中。有利的是，灰中重金属的浸出量不超过规定水平；实际上，尽管在吸附剂存在下燃烧而获得的灰中通常含有绝对含量较高的重金属，但是，观察到所述灰中的降低的可浸出的重金属含量在PPb水平。并且因为所述灰的水泥质特性还得到了加强，所以燃烧得到的灰(煤灰)对于商业出售和使用是有价值的，例如，作为水泥质材料来制备波特兰水泥，以及混凝土制品和即用混合物。
[0038]在一些实施方式中，燃烧过程中定时或连续监测或分析重金属的浸出。美国环境保护局的TCLP过程是常用的方法。如烟道气中的汞一样，根据分析结果来调节吸附剂的量，特别是含有Si (SiO2*等同物)和/或Al (Al2O3或等同物)的吸附剂成分的量，以保持浸出在所需的范围内。
[0039]在一些实施方式中，本发明提供了一种减少烟道气中氧化的萊的量，并同时生产水泥质灰产品的方法，所述烟道气在含汞的含碳燃料如煤的燃烧中产生。所述方法包括在碱性粉末吸附剂存在下燃烧所述燃料，其中所述粉末吸附剂包含钙、二氧化硅和氧化铝。当燃料燃烧时，在燃烧炉下游的烟道气中测量汞的含量(氧化的汞、元素汞或二者)。将测得的汞含量与目标含量比较，如果测得的量高于目标含量，则增加相对于要烧的燃料量加入的粉末吸附剂的量。或者，如果测得的量低于目标含量，吸附剂加入比例可以降低或者保持不变。
[0040]在一些实施方式中，用于减少燃煤工厂的炉中的煤燃烧所产生的烟道气中的硫和/或汞的方法包括在燃烧期间将粉末组合物注入炉中。所述粉末组合物是含有碱性钙成分和有效量的二氧化硅和氧化铝的碱性吸附剂组合物。在非限制性实施方式中，所述粉末组合物包含2~50%的硅铝酸盐材料和50~98wt%的含钙碱性粉末。在一些实施方式中，所述碱性粉末包括波特兰水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘和甜菜石灰(sugar beet lime)中的一种或多种，而所述硅铝酸盐材料包含选自由钙蒙脱石、钠蒙脱石和高岭土组成的组中的一种或多种。对于分批法，以要用吸附剂处理的煤的量的大约0.1~大约10wt%的比率向煤中加入所述粉末组合物，或者对于连续过程，以通过燃烧所消耗的煤量的大约0.1~大约10wt%的比率向煤中加入所述粉末组合物。在一些实施方式中，所述比率为I~8wt%、2~8wt%、4~8wt%或大约6wt%。在一些实施方式中，所述粉末组合物在燃烧过程中注入火球或炉中，和/或在燃烧之前在环境条件下施加到煤上。注入点的温度优选为至少大约1000° F或更高。对于低燃烧值的燃料来说，对应于注入火球内或靠近火球处。[0041]在一些实施方式中，本发明提供新型吸附剂组合物，其包括大约50~98wt%的波特兰水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰中的至少一种，和2~50wt%的硅铝酸盐材料。在一些实施方式中，所述组合物进一步包含溴化合物，例如溴化物，如溴化钙。如在此所述的，在燃烧煤过程中，吸附剂的使用倾向于减少从工厂排放的有害的硫和汞产物的量，而同时产生环境可接受的(例如重金属的浸出低于规定水平，且低于没有吸附剂成分存在下烧煤得到的灰中的水平)，并且具有更好水泥质特性的灰，从而使所述灰在水泥质混合物以及它们的使用过程中作为波特兰水泥的完全或部分(大于40%，优选大于50%)的替代物。
[0042]在一些实施方式中，吸附剂成分被作为单一组合物的一部分和/或作为单独的成分，在燃烧前加到燃料上、燃烧中加入到炉中和/或燃烧后加入到对流通路中。例如，二氧化硅和氧化铝一起与含钙的碱性成分作为单一组合物方便地加入。使用时，例如溴化合物的卤素化合物作为所述单一组合物的一部分或作为单独的组合物提供。
[0043]在一些实施方式中，使用双系统，其中钙、二氧化硅和氧化铝被加入到粉末吸附剂中，而溴或其他卤素则加入到液体吸附剂中。本发明的方法提供含汞的煤灰和/或粉煤灰，其含汞量对应于灰中捕获的燃烧前煤中原始存在的汞的至少90%的量。在一些实施方式中，由于汞被捕获到灰中而不是排放到大气中，所以所述灰中汞的水平高于已知粉煤灰中汞的水平。这种方法制备的粉煤灰含有多至200ppb或更高的汞；在一些实施方式中，所述粉煤灰的汞含量高于250ppb。由于灰的体积通常会因为使用吸附剂而增加(在一些实施方式中，灰体积增加到约两倍)，测量到的增加的汞含量代表汞被显著捕获于灰中，这些汞如果没有吸附剂的话，就会排放到大气中。粉煤灰中汞和诸如铅、铬、砷和镉的其他重金属的含量一般高于由不加吸附剂或吸附剂成分燃烧煤所产生的粉煤灰中的含量。
[0044]制备煤灰的方法包 括在加入的钙、二氧化硅和氧化铝存在下，优选进一步在诸如溴的卤素存在下燃烧煤。在一些实施方式中，灰是通过在所述吸附剂或吸附剂成分存在下燃烧煤来制备的。在一些实施方式中，煤灰中的汞是非浸出的，因为抽提物中汞浓度小于 0.2ppb,该浓度用 EPA 出版 SW-846-第三版的 “Test Methods for Evaluating SolidWaste, Physical/Chemical Methods (评价固体废物的试验方法,物理/化学方法)”中的测试方法 1311 毒性特性浸出程序(Toxicity Characteristic Leaching Procedure, TCLP)检测，该方法通过引用40CFR§ 260.11而合并。通常观察到，虽然用吸附剂处理的煤产生的灰中的总汞含量是没有吸附剂时燃烧煤得到的灰中总汞含量的2倍或更多倍，但是在此所述的吸附剂存在下燃烧煤得到的粉煤灰比没有吸附剂存在下燃烧煤得到的灰具有更少的可浸出的汞。要说明的是，通常烧PRB煤得到的灰含有大约100~125ppb汞；在各种实施方式中，在有大约6wt%所述吸附剂情况下的PRB煤产生的灰具有大约200~250ppb或更多的汞。
[0045]在一些实施方式中，本发明提供水硬水泥产品，其中含有波特兰水泥和占所述水泥产品总重的0.lwt%至大约99wt%的如上所述的煤灰或粉煤灰。
[0046]在一些实施方式中，本发明提供凝硬性产品，其中含有火山灰和占所述凝硬性产品总重0.01wt%~约99wt%的如上所述的灰。
[0047]本发明还提供含有如上所述水硬水泥的水泥质混合物。
[0048]在一些实施方式中，水泥质混合物含有在此所述的煤灰作为唯一的水泥质成分；在一些实施方式中，所述灰完全替代常规水泥如波特兰水泥。所述水泥质混合物含有水泥和可选的集料、填料和/或其他掺混物。所述水泥质混合物通常与水结合，并用作混凝土、灰浆、薄浆、可流动的填充物、稳固的地基和其他应用。
[0049]本发明的吸附剂组合物含有提供钙、二氧化硅和氧化铝的成分，优选为碱性粉末的形式。在一些实施方式中，所述组合物还含有氧化铁，以及基于氧化钠(Na20)和氧化钾(K2O)的碱性粉末。在一个非限制性实施例中，所述粉末吸附剂含有大约2~10wt%Al203，大约40~70%Ca0,大约5~15%Si02,大约2~9%Fe203和大约0.1~5%诸如氧化钠和氧化钾的总碱。所述含有钙、二氧化硅和氧化铝的成分和如果存在的其他成分在一个单一的组合物中结合到一起，或分别加入，或以所述成分的任意组合加入到所述燃料燃烧系统中。在一些实施方式中，吸附剂的使用使排放到大气中的硫和/或汞的量减少。在各种实施方式中，吸附剂组合物的使用去除了汞，尤其是氧化的汞。并且，所述组合物利用其所含有的钙降低了燃烧释放的硫的量。
[0050]有利的是，所述吸附剂组合物含有适宜的高水平氧化铝和二氧化硅。相信氧化铝和/或二氧化硅的存在使所述吸附剂的使用具有若干优点。要说明的是，相信是氧化铝和/或二氧化硅的存在，和/或二氧化硅/氧化铝与钙、铁和其他成分间的平衡使在吸附剂存在下燃烧含汞的煤或其他燃料产生的灰中观察到的汞和/或其他重金属具有低的酸浸出水平。
[0051]在一些实施方式中，观察到煤或其他燃料燃烧时吸附剂组合物的使用导致炉壁上和锅炉管上形成耐火衬里。相信这样的耐火衬里将热量反射到炉中并导致锅炉中更高的水温。在一些实施方式中，还观察到吸附剂的使用导致了锅炉管周围结垢和成渣的减少。这样，吸附剂的使用导致炉子更干净，更重要的是改善了燃烧的煤和锅炉管中的水之间的热交换。结果，在一些 实施方式中，燃烧等量的燃料时，吸附剂的使用使锅炉中的水温更高。或者，已观察到吸附剂的使用使降低例如煤的进料速度的同时可以保持相同的电力输出或锅炉水温。在一个说明性实施方式中，以6%的比例使用吸附剂在煤/吸附剂组合物燃烧产生的功率与全部使用等重的煤的组合物燃烧产生的功率相等。可见，在一些实施方式中，通常进入粉煤灰中并被再利用的吸附剂的使用实际上提高了燃煤过程的效率，导致燃料的低消耗。在这样的过程中的好处是通过使用吸附剂而通常使体积增大的粉煤灰被再利用于波特兰水泥的生产等中，其具有改进的水泥质性质，和低重金属浸出性。
[0052]如上所述，在一些实施方式中，吸附剂组合物的成分以碱性粉末来提供。不被理论所限制，相信吸附剂成分碱性性质至少导致了部分上述理想的性质。用于本发明的吸附剂组合物的钙源包括钙粉，例如碳酸钙、石灰石、氧化钙、氢氧化钙、磷酸钙和其他钙盐。应理解，诸如石灰石、石灰、消石灰等的工业产品构成这些钙盐的主要部分。这样，它们是适用于本发明的吸附剂组合物的成分。
[0053]钙的其他来源包括各种工业制品。这样的制品可以从市场上买到，一些作为其他工业过程的废产物或副产物来出售。在一些实施方式中，所述制品进一步为本发明的所述组合物提供二氧化硅，或者氧化铝，或者二者都提供。除了钙还含有二氧化硅和/或氧化铝的工业产品的非限制性例子包括波特兰水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、甜菜石灰、矿渣(例如钢渣、不锈钢钢渣和高炉矿渣)、纸脱墨浆灰、熔铁炉集尘器滤饼和熔铁鼓风炉炉灰。这些和其他材料结合以提供碱性粉末，或含有钙、优选还含有二氧化硅和氧化铝的碱性粉末的混合物。在一些实施方式中，使用各种火山灰质材料。[0054]甜菜石灰是一种从甜菜制糖的制造业中得到的固体废料。其钙含量高，还含有对甜菜进行加石灰过程中沉淀的各种杂质。这是一种商业产品，通常卖给庭园设计家、农民等作为土壤改良剂。
[0055]水泥窑粉尘(CKD)通常指的是在水泥窑中，或在波特兰水泥的制备过程中的相关加工设备中产生的副产物。
[0056]通常，CKD包括在窑、预处理装置和/或材料搬运系统的不同部位产生的不同颗粒的组合，包括，例如熟料粉尘(clinker dust),部分至全部煅烧材料粉尘和原材料(含水的和脱水的)粉尘。CKD的组分根据使用的原材料和燃料、生产和加工条件、以及水泥生产过程中CKD收集点的位置不同而改变。CKD可包括从窑废物(即排气)流、熟料冷却器废物、预煅烧废物、空气污染控制设备等处收集的粉尘或颗粒物质。
[0057]而CKD组分可根据窑的不同而改变，由于熟料粉尘和煅烧材料粉尘的存在，通常CKD至少具有一些水泥质和/或火山灰性质。典型的CKD组分包括含硅化合物，例如硅酸盐，包括硅酸三钙、硅酸二钙；含铝化合物，例如铝酸盐，包括铝酸三钙；和含铁化合物，例如铁氧体，包括铝铁酸四钙。CKD通常含有氧化钙(CaO)。示例性的CKD组分包括约10wt%~约60wt%的氧化钙，或者为约25wt%~约50wt%，或者为约30wt%~约45wt%。在一些实施方式中，CKD包括的游离石灰(用于与水的水合反应)的浓度为约1%~约10%，或者为约1%~约5%，在一些实施方式中为约3%~约5%。进一步地，在一些实施方式中，CKD包括含碱金属、碱土金属、硫及其他的化合物。
[0058]含钙碱性粉末和一些还含有二氧化硅和氧化铝的碱性粉末的其他示例性来源包括各种水泥相关的副产物(除了波特兰水泥和上述CKD之外)。拌合水泥产品是这种来源的一个适宜的例子。这些拌合水泥产品通常含有波特兰水泥和/或其熟料与矿渣类和/或火山灰质材料(例如，粉煤灰、硅粉、烧结页岩)结合的混合物。火山灰质材料通常为二氧化硅性质的材料，它们本身不是水泥质的，但是当与游离石灰(游离CaO)和水反应时产生水凝水泥性质。其他来源是砌筑水泥和/或水硬石灰，其包括波特兰水泥和/或其熟料与石灰或石灰石的混合物。其他适宜的来源是矾土水泥，其为通过燃烧石灰石和铝土矿(天然产生的异质的材料，包括一种或多种氢氧化铝矿物质，加上二氧化硅、铁氧化物、二氧化钛、铝硅酸盐和其他少量或痕量的杂质的各种混合物)的混合物制成的水凝水泥。还有另一个例子是火山灰水泥，其为主要含有火山灰质材料的拌合水泥。通常火山灰水泥包括氧化钙，但是基本不含波特兰水泥。广泛使用的火山灰质材料的普通例子包括天然火山灰(例如某些火山的灰或凝灰岩，某些硅藻土、焦化粘土和页岩)和合成的火山灰质材料(例如二氧化硅烟尘和粉煤灰)。
[0059]石灰窑粉尘(LKD)是生产石灰的副产物。LKD是从石灰窑或相关加工装置中收集的粉尘或微粒物质。生产出的石灰可以分为高钙石灰或白云石石灰，而LKD随石灰形成方法不同而改变。常常通过煅烧反应来制备石灰，煅烧反应通过加热含钙原材料，例如碳酸钙，而形成游离石灰CaO和二氧化碳(CO2)。高钙石灰具有高浓度的氧化钙，通常还含有一些杂质，包括含铝和含铁的化合物。通常高钙石灰从高纯度的碳酸钙(纯度大约95%或更高)制得。由高钙石灰的加工得到的LKD产物中通常的氧化钙含量大于等于约75wt%，或者大于等于约85wt%,在一些情况下大于等于约90wt%。在一些石灰生产中，白云石(CaCO3-MgCO3)被加热分解，主要产生氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)，从而形成已知的白云石石灰。在通过白云石石灰加工产生的LKD中，氧化钙的含量大于等于约45wt%,或者大于约50wt%,在一些实施方式中，大于约55wt%。虽然LKD根据所使用的石灰加工类型而改变，其通常具有相对高的游离石灰的浓度。LKD中游离石灰的量通常为约10%~约50%，或者为约20%~约40%，这取决于生成的石灰产品中氧化钙的相对含量。
[0060]矿渣一般是金属生产和加工产生的副产物化合物。术语“矿渣”包括广泛的副产物化合物，通常包括铁金属和/或钢生产和加工的大部分的非金属副产物。一般，矿渣被认为是各种金属氧化物的混合物，但是其中经常含有金属硫化物和元素形式的金属原子。
[0061]用于本发明的一些实施方式的矿渣副产物的各种例子包括，铁矿渣，例如那些高炉(也叫熔铁炉)中产生的矿渣，举例来说包括，空气冷却的高炉矿渣(ACBFS)，膨胀的或发泡的高炉矿渣、造粒的高炉矿渣、颗粒状高炉矿渣(GBFS)等。钢矿渣可从碱性氧气炼钢炉(B0S/B0F)或电弧炉(EAF)中产生。许多矿渣具有水泥质和/或火山灰样性质，但是其具有这些性质的程度取决于它们各自的成分和其产生的过程，如本领域技术人员已知的。示例性矿渣包括含钙化合物、含硅化合物、含铝化合物、含镁化合物、含铁化合物、含锰化合物和/或含硫化合物。在一些实施方式中，所述矿渣包括约25wt%~约60wt%的氧化钙，或者为约30wt%~约50wt%，或者为约30wt%~约45wt%。一般具有水泥质性质的适宜矿渣的一个例子是磨碎的颗粒状高炉矿渣(GGBFS)。
[0062]如上所述，其他适宜的例子包括收集自连接到高炉的空气污染控制设备的高炉(熔铁炉)粉尘，例如熔铁炉集尘器滤饼。另一个适宜的工业副产物源是纸脱墨浆灰。如本领域技术人员所知，有许多不同的人造的/工业的加工副产物可用作形成本发明的吸附剂组合物的碱性粉末的钙源。许多这种已知的副产物还含有氧化铝和/或二氧化硅。所述示例性的工业制品和/或工业副产品的任意组合也可以用作本发明的某些实施方式的碱性粉末。 [0063]在一些实施方式中，理想的二氧化硅和/或氧化铝的处理含量高于通过加入诸如波特兰水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘和/或甜菜石灰的材料提供的含量。所以，可向需要提供优选的二氧化硅和氧化铝含量的这些材料中补充硅铝酸盐材料，非限制性的例子是粘土 (例如，蒙脱石、高岭土等)。在一些实施方式中，补充的硅铝酸盐材料构成加入到烧煤系统中的各种吸附剂成分的至少约2wt%，优选至少约5wt%。一般来讲，从技术角度来看，只要维持了足够水平的钙，补充的硅铝酸盐材料的量没有上限。但是，从成本的角度看，通常希望限制更贵的硅铝酸盐材料的比例。所以，吸附剂成分优选包括约2~50wt%，优选2~20wt%,更优选约2~10wt%的诸如所述示例性粘土的娃招酸盐材料。
[0064]在一些实施方式中，碱性粉末吸附剂组合物含有一种或多种含钙粉末，例如波特兰水泥、水泥窑粉尘、石灰窑粉尘、各种矿渣和甜菜石灰，以及硅铝酸盐粘土，非限制性的例子如蒙脱石或高岭土。在一些实施方式中，所述吸附剂组合物可含有足量的SiO2和Al2O3以与燃烧产生的硫酸钙以及汞和其他重金属形成耐高温混合物，这样硫酸钙被燃烧炉的颗粒控制系统处理，汞和重金属在酸条件下不能从灰中浸出。在一些实施方式中，所述含钙粉末吸附剂含有最少2wt%的二氧化娃和2wt%的氧化招,优选最少5wt% 二氧化娃和5wt%氧化铝。在一些实施方式中,氧化铝水平高于波特兰水泥中的氧化铝水平,也就是说，以Al2O3计，高于约5wt%,并且在一些实施方式中，高于约6wt%。
[0065]在一些实施方式中，碱性粉末吸附剂组合物的吸附剂成分与可选加入的卤素(如溴)化合物一起捕获灰中的氯，以及汞、铅、砷和其他重金属，使得这些重金属在酸性条件下不能浸出，并改善产生的灰的水泥质性质。所以，缓和、减少或消除了汞、诸如砷的其他重金属、硫和氯的排放，并产生了作为燃煤的副产物有价值的水泥质材料。
[0066]适宜的硅铝酸盐材料包括许多无机矿物和材料。例如，许多矿物、天然材料和合成材料含有与氧化环境有关的硅和铝，以及可选的其他阳离子，非限制性的例子如:Na、K、Be、Mg、Ca、Zr、V、Zn、Fe、Mn和/或其他阴离子，例如氢氧化物、硫酸盐、氯化物、碳酸盐，和可选的水合作用中的水。这样的天然的和合成的材料在此指硅铝酸盐材料，并且非限制性的例子为上述的粘土。
[0067]在硅铝酸盐材料中，硅倾向于以四面体形式存在，而铝则以四面体、八面体或此二者的组合的形式存在。硅铝酸盐的链或网状构造在这样的材料中通过在硅和铝的四面体或八面体之间共用1、2或3个氧原子来构建。这样的矿物质有多种名称，例如二氧化硅、氧化铝、硅铝酸盐、地聚合物、硅酸盐和铝酸盐。然而,含有铝和/或硅的化合物在氧存在下暴露于燃烧的高温下就倾向于生成二氧化硅和氧化铝。
[0068]在一些实施方式中，硅铝酸盐材料包括SiO2.Al2O3的多晶型物。例如，硅铝多晶体(Silliminate)含有二氧化硅四面体，以及四面体和八面体均分的氧化铝。蓝晶石基于二氧化硅四面体和氧化铝八面体。红柱石是另一种SiO2.Al2O3的多晶型物。
[0069]在一些实施方式中，链状硅酸盐为本发明的组合物提供硅(如二氧化硅)和/或铝(如氧化铝)。链状硅酸盐非限制性地包括通过共用氧原子连接的SiO4四面体的无限链构成的辉石和似辉石硅酸盐。 [0070]其他适宜的硅铝酸盐材料包括片状材料，例如，非限制性地有云母、粘土、温石棉(例如石棉)、滑石、阜石、叶蜡石和高岭石。这样的材料特征在于其具有层状结构，其中二氧化硅和氧化铝八面体和四面体共用两个氧原子。层状的硅铝酸盐包括粘土，例如绿泥石、海绿石、伊利石、坡缕石、叶蜡石、锌蒙脱石、蛭石、高岭石、钙蒙脱石、钠蒙脱石和斑脱土。其他例子包括云母和滑石。
[0071]适宜的硅铝酸盐材料还包括合成的和天然的沸石，例如(非限制性)，方沸石、方钠石、菱沸石、钠沸石、钙十字沸石和丝光沸石类。其他沸石矿物包括片沸石、锶沸石、柱沸石、辉沸石、汤河原沸石(yagawaral ite )、浊沸石、镁碱沸石、方碱沸石和斜发沸石。这些沸石是矿物或者合成材料，特征是硅铝酸盐四面体构架、可离子交换“大阳离子”(例如Na、K、Ca、Ba和Sr)和自由存在的水分子。
[0072]在一些实施方式中，使用网状或3D硅酸盐、铝酸盐和硅铝酸盐。网状硅铝酸盐的特征在于其三维连接的SiO4四面体、AlO4四面体和/或Aio6A面体的结构。含有二氧化硅和氧化招的网状娃酸盐的非限制性例子包括长石，例如钠长石、钙长石、中长石、倍长石、拉长石、微斜长石、透长石和正长石。
[0073]在一些实施方式中，吸附剂粉末组合物特征是它们含有大量的钙，优选以氧化钙计大于20wt% ;而且,它们含有的二氧化硅和/或氧化铝的水平高于诸如波特兰水泥的商业产品中的水平。在一些实施方式中，吸附剂组合物包含大于5wt%的氧化铝，优选大于6wt%的氧化铝，优选大于7wt%的氧化铝，和优选大于约8wt%氧化铝。
[0074]以能控制硫和/或汞通过燃烧向大气中排放的量的有效比例用吸附剂成分处理煤或其他燃料。在一些实施方式中，基于要处理的煤的重量或燃烧要消耗的煤的比率，吸附剂成分的总处理量为约0.lwt%~约20wt%。当所述吸附剂成分结合到单一的组合物中时，所述成分的处理量对应于吸附剂的处理量。以这种方式，可提供单一的吸附剂组合物，并计量或测量以加入到燃煤系统中。一般来讲，理想的是使用最小量而仍然足以对硫和/或汞的排放有理想的效果的吸附剂以免所述系统中有过量的灰而过载。所以，在一些实施方式中，吸附剂的处理量为从约lwt%~约10wt%，在一些实施方式中，为从约I或2wt%~约10wt%o对于许多煤来说，已发现可接受6wt%的粉末吸附剂添加比例。
[0075]如上所述的含有钙、二氧化硅和氧化铝的粉末吸附剂一般可有效减少从燃煤工厂排放的气体中硫的量。在一些实施方式中，为了减少硫的排放，相对于测得的要燃烧的燃料(如煤)中的硫的摩尔量，本发明的方法可在吸附剂成分中以摩尔比为至少1:1，优选1:1以上的比例提供钙。如果想要避免过量灰的产生，吸附剂所含的钙量可限制为，如，仍相对于测得的煤中硫的量，最大摩尔比为3:1。
[0076]在一些实施方式中，用这样的吸附剂，甚至不需要加入卤素，汞的排放量就被减少、降低或消除。相信在火焰温度低至1000° F时，吸附剂可有效去除系统中的氧化的汞。然而，在一些实施方式中，包括在那些火焰温度远远高于1000° F的实施方式中，本发明的方法可包括用含有卤素化合物的吸附剂组合物处理煤。所述卤素化合物与碱性粉末一起使用倾向于减少燃烧气体中未氧化的汞的量。
[0077]含有卤素化合物的吸附剂组合物包含一种或多种含有卤素的有机或无机化合物。卤素包括氯、溴和碘。优选的卤素是溴和碘。所述卤素化合物是卤素，尤其是溴和碘的来源。对于溴来说，卤素的来源包括各种溴的无机盐，包括溴化物、溴酸盐和次溴酸盐。在一些实施方式中，由于其成本或可用性，有机溴化合物不是优选的。然而，含有适当的高水平溴的有机溴源也被认为在本发 明的范围内。有机溴化合物的非限制性例子包括二溴甲烷、溴乙烷、三溴甲烷和四溴化碳。非限制性的无机碘源包括次碘酸盐、碘酸盐和碘化物，优选碘化物。也可使用有机碘化合物。
[0078]当所述卤素化合物是无机取代物时，优选含溴或碘的碱土金属元素的盐。示例性碱土金属元素，包括铍、镁和钙。卤素化合物中，尤其优选的是诸如钙的碱土金属的溴化物和碘化物。溴和碘的碱金属化合物，例如碱金属溴化物和碘化物可有效减少汞的排放。但是在一些实施方式中，由于其倾向于引起锅炉管和其他钢材表面上的腐蚀，而不优选使用。在一些实施方式中，加入到燃煤系统中的吸附剂基本不含溴或者碘化合物的钠盐。
[0079]在一些实施方式中，以液体或固体组合物形式提供含有卤素的吸附剂组合物。在一些实施方式中，含卤素的组合物在燃烧前被施加到煤上、在燃烧过程中加入到炉子中和/或施加到炉子下游的烟道气中。当卤素组合物是固体时，可进一步含有如上粉末吸附剂中所述的钙、二氧化硅和氧化铝成分。可替代的是，固体卤素组合物和所述含有钙、二氧化硅和氧化铝的吸附剂组合物分别地施加到煤上和/或施加入燃烧系统中。当卤素组合物为液体组合物时，一般单独施用。
[0080]在一些实施方式中，液体汞吸附剂包括含5~60wt%的可溶性含溴或含碘的盐溶液。优选的溴盐和碘盐的非限制性例子包括溴化钙和碘化钙。在一些实施方式中，液体吸附剂含有5~60wt%的溴化钙和/或碘化钙。在一些实施方式中，为了燃烧前加到煤上的效率，优选加入的汞吸附剂含有可行的尽可能高含量的溴或碘化合物。在一些实施方式中，液体吸附剂含有50wt%或更多的卤素化合物，例如溴化钙或碘化钙。[0081 ] 为进一步说明本发明，本发明的一些实施方式包括在燃烧之前将液体汞吸附剂直接加到原煤或粉碎的煤上。例如，在煤进料器中将汞吸附剂加入到煤上。液体汞吸附剂的加入范围为0.01~5%。更高的处理量也是可能的，但是会浪费材料，因为不会有更多的益处。优选的处理量是基于湿态的0.025~2.5wt%。当然，通过所述液体吸附剂加入的固体溴盐或碘盐的量在吸附剂中的重量分数减少。在一些实施方式中，以固体的重量计，溴化物或碘化物的加入量可低至例如为0.01%~lwt%。当使用50wt%的溶液时，则以0.02%~2%的比率加入吸附剂以达到加入的所述低水平。例如，在一些实施方式中，假定溴化钙在吸附剂中占大约50被％来计算，以0.02~1%，优选0.02~0.5%的比率的液体吸附剂处理煤。在一些实施方式中，含有50%溴化钙的液体吸附剂以煤的重量计，以大约1%、0.5%或0.25%的量在燃烧前加到煤上。在一些实施方式中，最初的处理以低水平开始(例如0.01%~0.1%)，然后根据对排放的监测，逐渐增加直至达到理想的(低的)汞排放水平。当卤素以固体形式加入，或以与其他成分如钙、二氧化硅、氧化铝、氧化铁等的多成分组合物形式加入时，使用相似的卤素处理量。
[0082]使用时，将液体吸附剂以喷雾、滴加或者投放的方式施加到煤上。在一些实施方式中，在燃料/吸附剂组合物进入炉子之前，在环境条件下将吸附剂加入到煤或其他燃料上。例如，在注入炉子之前，吸附剂被加入到粉煤上。可替代的，或者说另外，液体吸附剂在燃烧过程中加入炉子中和/或加入到炉子下游的烟道气中。含卤素的汞吸附剂组合物的加入经常伴随着在一分钟内或几分钟内在烟道气中测得的汞水平的下降；在一些实施方式中，汞的降低是附加在使用基于钙、二氧化硅和氧化铝的碱性粉末得到的降低之上的。
[0083]在一些实施方式中，本发明包括在燃烧过程中将卤素成分(例如溴化钙溶液)直接加到炉子中。在一些 实施方式中，本发明规定将如上所讨论的溴化钙溶液加到炉子下游的气流中温度范围为2700° F~1500° F，优选2200° F~1500° F的区域内。在各种实施方式中，溴化合物，例如溴化钙的处理量以任何比例在燃烧中加入、燃烧前加入和燃烧后加入间分配。
[0084]在一些实施方式中，在燃烧之前将各种吸附剂成分加到煤中。所述煤可以是颗粒煤，根据常规过程，或者是粉碎的或研磨成粉的煤。在非限制性实施例中，所述煤被研磨成粉，以使75wt%的颗粒通过200目的筛子(200目的筛子具有75 μ m的孔径)。在一些实施方式中，吸附剂成分作为固体，或者作为液体和固体的组合加到煤上。一般，固体吸附剂组合物是粉末形式。在一些实施方式中，如果以液体形式加入吸附剂(通常是一种或多种溴盐或碘盐的水溶液)，当进料到燃烧器中时煤还是湿的。在一些实施方式中，在燃煤工厂，吸附剂组合物被喷洒或混合到传送带、螺旋挤出机或其他进料装置上的煤中从而连续加入煤中。此外，或者说可替代的，在燃煤工厂或在产煤厂中，将吸附剂组合物单独与煤混合。在一些实施方式中，吸附剂组合物以液体或粉末在将煤进料到燃烧器中时加到煤中。例如，在一些实施方式中，吸附剂在注入前施加到粉碎煤的粉碎机中。如果需要的话，改变所述吸附剂组合物的加入比率来达到理想的汞排放水平。在一些实施方式中，监测烟道气中汞的水平，并根据需要向上或向下调节加入的吸附剂的量，以维持理想的汞水平。
[0085]在一些实施方式中，用常规分析仪器以工业标准检测和测定方法监测工厂排放的汞和/或硫的水平。在一些实施方式中，定期手动或自动进行监测。在一个非限制性实施例中，一小时监测一次萊的排放，以保证符合政府规定。例如使用Ontario Hydro法。在这种已知方法中，在预定的时间内收集气体，例如一个小时。汞从所收集的气体中沉淀出来，单质汞和/或氧化的汞的水平用适宜方法，例如原子吸收，来定量。也可以以多于一小时一次或少于一小时一次的频率进行监测，这取决于技术和商业可行性。可设置商用的汞连续监测仪来测量汞并以适宜的频率产生数据，例如每3~7分钟一次。在一些实施方式中，汞监测仪的输出用于控制汞吸附剂的加入比率。根据监测的结果，通过增加加入量、减少加入量或保持不变来调节汞吸附剂的加入比率。例如，如果监测表明汞水平高于预期，那么就增加吸附剂的加入比率直至汞水平回到所需水平。如果汞水平处于所需水平，那么吸附剂加入的比率保持不变。或者，可降低吸附剂的加入比率，直至监测表明应该增加加入以避免高的汞水平。以这种方式，达到汞排放的降低，并避免了吸附剂的过量使用(伴随着灰的增多)。
[0086]在对流通路中的适宜位置监测汞。在一些实施方式中，排放到大气中的汞被监测，并在颗粒控制系统的干净的一侧测量。也可以在所述颗粒控制系统上游的对流通路中的一点上监测汞。实验表明当不加入汞吸附剂时，煤中20~30%的汞被捕获到灰中，而不会排放到大气中。在一些实施方式中，如上所述的汞吸附剂的加入将汞捕获的量增加至90%或更多。排放到大气中的汞相应减少。
[0087]在一些实施方式中，吸附剂成分或吸附剂组合物大约连续地在燃烧前加入煤中、在燃烧过程中加到炉子中和/或加到如上所述的对流通路中的1500° F~2700° F区域中。在一些实施方式中，在汞监测装置和吸附剂进料设备之间提供自动反馈回路。以持续的监测放出的汞并调节吸附剂加入比例从而控制所述过程。
[0088]在一些实施方式中，用工业标准方法来检测汞和硫，例如美国测试和材料协会(ASTM)出版的方法或国际标准组织(ISO)出版的国际标准。包括分析仪器的设备优选放置在汞和硫吸附剂加入点的对流通路的下游。在一些实施方式中，汞监测仪放置在颗粒控制系统的干净的一侧。可替代的，或者说另外，在对流通路中的适宜位置对烟道气取样，而不需要安装仪器或监测装置。在各个实施方式中，测得的汞或硫的量用于提供反馈信号给泵、螺线管、喷雾器和其他装置，开动或控制这些装置来调节吸附剂组合物加入燃煤系统中的比率。可替代的，或者说另外，可以由一个操作员根据观察到的汞和/或硫的水平来调节吸附剂加入的比率。
[0089]通过在所述吸附剂的存在下燃烧煤而生产的灰是水泥质的，所以当与水结合时，该灰凝固并强度变大。该灰由于其相对较高水平的钙而倾向于是自凝固的。该灰单独地或与波特兰水泥结合用作水凝水泥，水凝水泥适于形成诸如灰浆、混凝土和薄浆的多种水泥质混合物。
[0090]所述生产的灰的水泥质性质可以通过如下方式来展示，例如考虑该灰的强度活性指数，或者更准确地，通过包含该灰的水泥质混合物的强度活性指数。如ASTMC311-05中所述，通过比较100%波特兰水泥混凝土和测试混凝土的固化行为和性质发展，来进行强度活性指数的测量，所述测试混凝土中的20%的波特兰水泥以相同重量的测试水泥代替。在标准测试中，比较强度7天和28天。当测试混凝土的强度为波特兰水泥混凝土的强度的75%或更大时，认为是“通过”。在一些实施方式中，本发明的灰在ASTM测试中展示100~150%的强度活性指数，这指示了为强“通过”。当对波特兰水泥和灰的混和比例不是80:20的测试混合物进行测试时，观察到了类似的较大值。在一些实施方式中，混和比例为85:15到50:50的取得了 100~150%的强度活性指数，比例中的第一个数字是波特兰水泥，第二个数字是根据本发明制备的灰。在特定的一些实施例中，全灰测试水泥质混合物(即灰作为该测试混合物中100%的水泥)的强度发展大于全波特兰水泥控制的强度发展的50%，优选地大于75%，更优选地大于100%或更多，例如100~150%。这样的结果证明了所述在吸附剂成分的存在下，通过燃烧煤或其它燃料而生产的灰的高水泥质性质。
[0091] 因为根据本发明的燃烧煤而生产的灰含有非浸出形式的汞，所以该灰可以在市场上销售。无用或废粉煤灰或炉底灰的非限制性用途包括用作水泥产品，例如波特兰水泥的成分。在一些实施方式中，水泥产品包含大约0.lwt%到99wt%的根据本发明通过燃烧组合物而生产的煤灰。在一些实施方式中，该煤灰中的汞和其它重金属的非浸出特性使其适于所有已知的煤灰的工业用途。
[0092]在一些实施方式中，包含根据本发明的灰的水凝水泥产品与集料混和，以形成即用混合物。该即用混合物被销售给消费者或提供给承包人，他们把该即用混合物与水混和，形成多种混凝土产品，例如人行道、路边、街道、柱子、涵洞和管子等。凝固的混凝土建筑物是包含根据本发明的煤灰的即用混合物的水合产品。
[0093]在一些实施方式中，本发明提供一种通过向上述任何一种水泥产品或混凝土产品加水而制备的可水合或可凝固混凝土混合物。
[0094]根据本发明的煤灰作为波特兰水泥部分或完全的替代品，用在波特兰水泥混凝土(PCC)中。在一些实施方式中，该灰用作矿物掺合物或用作拌合水泥的成分。作为一种掺合物，该灰可以是波特兰水泥的全部或部分替代品，并且可以在分批投配设备中被直接加到即用混合混凝土中。可替代的，或者说另外，该灰与水泥熟料相互研磨或与波特兰水泥混合以形成拌合水泥。
[0095]例如，在美国标准ASTM C618中定义了 F类和C类粉煤灰。ASTM标准给出粉煤灰用作波特兰水泥的部分替代品时的规格。需要注意的是，以所述方法生产的煤灰倾向于含有比ASTM C618中的F类和C类粉煤灰的规格较高的钙和较低的二氧化硅和氧化铝。然而，观察到根据本发明的粉煤灰是高水泥质的，从而允许替代或削减这样水泥质材料中使用的波特兰水泥的50%或更多。在一些应用中，燃烧带有吸附剂的煤而产生的所述煤灰的水泥质足够使其成为这些混合物中的波特兰水泥的完全替代品。
[0096]要进一步说明的是，美国水泥协会(ACI)建议F类粉煤灰替代15~25%的波特兰水泥而C类粉煤灰则替代20~35%的波特兰水泥。已经发现，根据所述方法生产的煤灰具有足够的水泥质来替代高达50%的波特兰水泥，同时保持28天强度发展等于使用100%波特兰水泥的产品的强度发展。也就是说，尽管在一些实施方式中，根据ASTM C618，该灰并不能取得C类或F类灰的资格，但是它可以用来配制高强度混凝土产品。
[0097]根据本发明制备的煤灰还可以用作生产可流动的填充物成分，可流动的填充物也称作控制性低强度材料或CLSM。CLSM用作代替压实土或其它填充物的自流平、自压实回填材料。在一些实施方式中，所述灰作为波特兰水泥的100%替代品用于这样的CLSM材料中。这种组合物与水、水泥和集料一起配制，以提供所需的可流动性并发展到最终强度。例如，如果要求凝固的材料的可移动性，那么，可流动的填充物的最终强度不应超过1035kPa(150磅/平方英寸)。如果配制得具有更高最终强度的话，那么移动时可能就需要凿岩锤了。然而，当需要配制用于高负荷应用中的可流动的填充物时，可以设计具有较大范围的固化后抗压强度的混合物。[0098]根据所述方法生产的煤灰也可以用作稳固地基和辅助地基混合物的成分。从十九世纪五十年代以来，多种碱性石灰/粉煤灰/集料配方的变更配方已经被用作稳固地基混合物。使用稳固地基的一个例子是用作稳固的道路地基。要说明的是，在使用根据所述组合物的灰的地方的砂砾道路可以重复利用。已有的道路表面被研磨成粉并再次沉积在其原来位置。把灰，例如以这里所述的方法生产的灰，遍布在研磨成粉的道路材料之上并混合在其中。然后压紧，密封涂层表面就被形成在道路上。因为根据本发明的灰不包含超出规章要求的浸出的重金属，所以其可以用于这样的应用。更确切地，以本发明的方法生产的灰比在没有这里所述的吸附剂的情况下，燃烧煤所生产的煤灰包含较少的可浸出汞和较少的其它可浸出重金属(例如砷和铅)。
[0099]所以，本发明提供了消除燃烧包含高水平汞的煤而生产的煤灰或粉煤灰的掩埋需求的各种方法。该材 料不需要昂贵的处理，而是可以销售或用作原材料。
[0100]在一些实施方式中，使用吸附剂产生在多种应用中可以代替全部或部分波特兰水泥的水泥质灰。因为再利用了该水泥质产品，所以避免了制造至少部分波特兰水泥，从而节省了制造水泥所需的能量，并且避免了水泥制造中产生的大量的二氧化碳的排放。脱硫净气机中对石灰或碳酸钙的需求的降低也能够减少二氧化碳排放。所以，在一些实施方式中，本发明提供节省能量和减少诸如二氧化碳的温室气体排放的方法。下面给出本发明在这方面的一些实施方式的进一步细节。
[0101]在湿或干的工艺窑中制造波特兰水泥。尽管湿和干的工艺是不同的，但是两种工艺都在某些阶段中加热原材料。制造水泥的原材料包括钙、二氧化硅、铁和氧化铝的源，并且通常包括石灰石以及多种其它材料，例如粘土、砂子和/或页岩。第一阶段为预热阶段，从原材料中驱除任何水分，除去水合的水，并把材料温度提高到大约1500° F。第二阶段为煅烧阶段，通常在1500° F到2000° F之间进行，通过在煅烧反应中去除二氧化碳(0)2)来把石灰石(CaCO3)转变为石灰(CaO)。然后，在烧结区中，把原材料加热到大约在2500° F到3000° F之间的最高温度，这样，原材料基本熔化并且熔融，从而形成无机化合物，例如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铝铁酸四钙。对波特兰水泥的一个典型的分析显示，该波特兰水泥包括大约65~70% CaO,20% SiOz,5% Al203>4% Fe2O3和较少量的其它化合物，例如镁、硫、钾和钠等的氧化物。熔化的原材料被冷却，以凝固成通常称作“熟料”的小块的中间产品，这些中间产品基本都被从窑中移走。然后，精细地研磨熟料并把它与其它添加物(例如固化抑制剂，石膏)来形成波特兰水泥。然后，可以把波特兰水泥与集料和水混合来形成混凝土。
[0102]水泥生产是一种对能量敏感的工艺，该工艺通过强烈的热量对原材料的组合进行化学转换以形成具有粘合特性的混合物。水泥制造是最大的、非能源产业的二氧化碳排放源。排放产生自对构成大约80%水泥窑填料的石灰石的加热。在水泥生产中，利用高温来把石灰石转换为石灰，把二氧化碳释放到大气中。在这一过程中，一个碳酸钙分子分解为一分子二氧化碳气体和一分子氧化钙。
[0103]水泥制造商使用了接近100%的从煅烧的碳酸钙中获得的氧化钙。所以，水泥熟料中的氧化钙的总量是对生产中产生的二氧化碳的良好度量。在一个例子中，为了估计水泥生产中排放的二氧化碳，把石灰在水泥熟料中的分数乘上一个反映每单位石灰排放的碳的质量的常数来得到一个排放因子，在一个实施例